一、空間分配器 allocator

從使用上看，空間分配在任何語言的任何組件都不需要我們去過多關心，因為語言、組件的底層肯定都比較完整的做了這件事情。

從實現上看，學習 allocator 的原理在源碼學習中是首當其沖。因為沒有空間分配，則無從談起對象創建。這里說是空間分配，而不是內存分配，是因為也可以在內存之外的地方（如硬盤）分配空間。

分配器主要作用就是分配空間，根據規范，其需要實現一些接口，完成一些關于空間分配的功能。標準接口規范見附錄（一）。

本文會提到以下幾個方面：

• SGI STL 分配器介紹
• construct 和 destroy
  • destroy 接收指針和迭代器的方法
• alloc 分配器
  • 一層分配器
  • 二層分配器 和 free-list
    • 分配
    • 釋放
    • 補充
• 全局函數
  • uninitialized_copy
  • uninitialized_fill
  • uninitialized_fill_n

二、SGI STL 的 alloc

SGI STL 的分配器與眾不同，也與標準規范不同，其名稱是 alloc 而非 allocator，而且不接受任何參數。具體來說，想在程序中明確使用 SGI 分配器，不能寫std::allocator<int>，而要寫成std::alloc。

即使它不符合標準規范，也不會對我們使用造成任何影響，因為通常我們都使用缺省的分配器，而不會自己指定。而 STL 的每一個容器都指定缺省分配器為 alloc。

當然了，SGI 也定義了符合部分標準、名為 allocator 的分配器，但出于其效率原因，STL 從未使用它，也不推薦程序員使用。它只是把 ::operator new 和 ::operator delete 做了一層薄薄的封裝，沒有做優化。詳細代碼見附錄（二）。

下面詳細聊聊 SGI STL 實現的 alloc 。

一般而言，C++的內存分配和釋放操作如下：

class Foo {...}; Foo * pf = new Foo; // 分配內存，構造對象 delete pf; // 析構對象，釋放內存

• new 內含兩步操作：（1）調用 ::operator new 分配內存（2）調用 Foo::Foo() 構造對象內容。
• delete 內含兩步操作：（1）調用 Foo::~Foo() 析構對象（2）調用 ::operator delete 釋放內存。

為了精細分工，分配器將這兩個步驟分開做。內存分配由 alloc::allocate() 負責，內存釋放由 alloc::deallocate() 負責；對象構造由 ::construct() 負責，對象析構由 ::destroy() 負責。

// STL規定分配器 allocator 定義于 memory 中 #include <memory>// memory 中含有兩個文件 #include <stl_alloc.h> // 負責內存空間的分配和釋放，定義了 一級、二級分配器。 #include <stl_construct.h> // 負責對象內容的構造和析構，有 construct 和 destroy 方法。// memory 中還有一個文件 #include <stl_uninitialized.h> // 定義了一些全局函數，用來填充fill 或者 復制copy 大塊內存的數據 // 其中有如下方法 // un_initialized_copy() // un_initialized_fill() // un_initialized_fill_n() // 這些方法不屬于分配器的范疇，但與對象初值設置有關，對大規模元素初值設置很有幫助。 // 在效率上，最差會調用 construct，最佳會調用C的 memmove 進行內存移動。

（一）construct 和 destroy

對于對象的 construct 和 destroy 可以概括如下圖所示。其源碼見附錄（三）

• construct 接收 指針p 和 初值value，會將value設置到p所指的空間上。
• destroy 可以接收 指針、迭代器。
  • 基本類型指針：不做處理
  • 對象類型指針：調用析構函數
  • 迭代器：會判斷析構函數是否為 trivial destructor（無用的、沒必要的、無意義的析構函數）
    • 是：則不做處理
    • 否：調用 迭代器中每個元素的析構函數。

這里有個問題是，如何判斷是否為 trivial呢？

答案是：使用 __type_traits<T>::has_trivial_destructor() ，該函數會返回 __true_type 或 __false_type，前者代表是trivial，后者代表是有意義的。

該類的具體實現需要去研究下 traits，這里先不展開。

（二）STL alloc

<stl_alloc.h> 負責了對象構造前的空間分配和對象析構前的空間釋放，有下面幾個設計原則：

• 向 system heap 申請空間
• 考慮多線程狀態（為了將問題簡化，這里不討論多線程狀態）
• 考慮內存不足的應變措施
• 考慮過多小塊內存造成的碎片問題

C++ 的內存分配和釋放主要使用 ::operator new() 和 ::operator delete()，這兩個相當于C的 malloc() 和 free()，SGI 正是以 malloc 和 free 完成的內存分配和釋放。

SGI 設計了雙層分配器，如下圖所示：

• 第一級直接使用 malloc 和 free
• 第二級，當需求大于128 bytes 時，調用一級分配器；小于等于128 bytes 則調用二級分配器。

具體采用哪種分配器，需要看 __USE_MALLOC 是否被定義。定義了則用一級分配器，否則調用二級分配器。

SGI 為 alloc 提供了一個 simple_alloc 的接口封裝，使得外層使用時無需考慮內部具體用的一級還是二級。SGI STL 的容器都使用這個 simple_alloc 接口，而非直接使用 alloc。代碼見附錄（四）。

一級分配器的原理比較簡單，正常情況就是調用 malloc 和 free 做分配和釋放。當內存不夠時需要使用 oom_malloc，在該函數中，會循環調用一個 handler 來處理內存不足的情況。這個 handler 是需要自己指定的，如果沒有指定，則拋出 std::bad_alloc 異常。這個 handler 一般稱為 new-handler，在 《Effective C++》2e item7 中有特定的解決模式。

（三）STL 二級分配器

下面著重說說二級分配器。

二級分配器可以避免產生過多的小區塊，可以解決內存碎片和過多的額外開銷（系統需要多出來的空間管理內存，可以說是給系統“交稅”）。

二級分配器以內存池（memory pool）管理小于128 bytes 的內存，稱為次層分配（sub-allocation）：先分配一大塊內存，組成一個自由鏈表（free-list），每次要取一定量內存時，從 free-list 中取；在用完后，分配器就歸還給 free-list。

分配器會維護 空間為 8、16、24、……、128 這16個 free-list，在分配小內存時，會向上取整（Round Up），尋找最近的 free-list。

free-list 節點結構是一個聯合體，該節點在free-list中時，內容是一個指向 下一個節點的指針，在客戶端使用時，是具體的數據。這樣一物二用，不會造成維護鏈表指針的內存浪費。這個技巧在強類型語言（Strong Typed）中如 Java 行不通，但在弱類型語言（Weak Typed）中如 C++十分常見。

union obj{union obj * free_list_link; char client_data[1]; // client use }

free-list 的實現技巧

次層分配中從 free list 分出內存的步驟 allocate 如下圖所示：

次層分配中釋放內存，往 free list 中歸還的步驟 deallocate 如下圖所示：

當 free-list 的空間用盡后，會觸發 refill 操作，重新給 free-list 補充 20個節點。refill 會調用 chunk_alloc，該函數中會做具體從內存池中取內存的操作。其過程如下所示。

簡而言之就是，先找自己（32找32），再找親友（64找32），實在不行就求助大家（96找32）。

三、內存基本處理工具

STL 定義了五個全局函數，除了前文提到的 construct 和 destroy，還有3個用來處理大塊內存的復制和移動的 unitialized_copy、uninitialized_fill、uninitialized_fill_n 分別對應高層次的函數 copy、fill、fill_n。

unitialized_copy 函數讓內存配置與對象構造行為分開。如果目標地址指向的空間都是未初始化區域，則會直接把源區域的對象產生復制品直接放到目標地址。STL 規范中要求該函數具有原子性，要么全部構造出來，要么全部不構造。

uninitialized_fill、uninitialized_fill_n 也和 unitialized_copy 類似。

這三個函數都會判斷 對象是否為 POD（Plain Old Data，標量 or 傳統 C 結構體），POD 會具有 trivial 函數，如果是 POD 則用最有效率的方法，如果非 POD 則用最安全的方法。過程大致如下所示。

附錄

（一）標準接口規范

根據 STL 規范，allocator 必須要實現以下接口。

（二）SGI allocator 源碼

下面是 SGI 實現的 allocator 全貌

（三）construct 和 destroy 源碼

（四）simple_alloc 和 vector

總結

以上是生活随笔為你收集整理的stl源码剖析_STL源码剖析 阅读笔记（二）allocator的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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